加固用钢结构栓焊并用连接承载性能有限元分析.pdf

1 0 O 四川 I 建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 9卷第 2期 2 0 1 3年 4月 加固用钢结构栓焊并用连接承载性能有限元分析 石永久 ， 王 磊 ， 王元清 ， 白润山。 ， 麻建锁 ， 李敏峰 1 ． 清华大学土木工程安全与耐久 教育部重点实验室 ， 清华 大学土木工程系 ， 北京1 0 0 0 8 4 ； 2 ． 河北建筑工程学院 ， 河北 张家 口0 7 5 0 2 4 摘要 目的 对栓焊并用连接节点的受力性能进行有限元模拟， 分析栓焊并用连接的承载性能。方法 对栓焊并 用连接节点的受力性能进行有限元模拟， 有限元模拟结果与试验数据进行对比分析， 吻合较为 良好。基于有限元 计算结果进～步分析了栓焊并用连接节点的破坏模式和承载力， 分析了螺栓和焊缝各 自对承载力的贡献程度。结 果 当栓焊并用节点中螺栓或焊缝其中一种连接形式的承载力明显高于另一种时 ， 强度较低的连接形式首先发生 破坏 ， 承载能力基本充分发挥 ； 强度较 高的连接形式 的承载能力不 能得 到充 分的发挥 。栓焊 强度 比是 影响栓焊并 用连接承载性能的重要指标 ， 在节点设计中应考虑栓焊强度比的影响。结论 栓焊并用连接节点兼具高强度螺栓 连接和焊接连接的优点 ， 在钢结构节点加 固改造工程中有很 大的应用空 间。 关键词 并用连接； 承载性能 ； 有限元分析； 螺栓角焊缝 中图分类号 T U 3 9 5 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 81 9 3 3 2 0 1 3 0 21 0 0 0 5 Fi ni t e e l e me n t a n a l y s i s o f t h e c o mb i n e d c o n n e c t i o n wi t h b o l t s a n d we l d s S H I Y o n g j i u 。 ， WA N G L e i ， WA N G Y u a n q i n g ， B A I R u n s h a n ， MA J i a n s u o ， L I Mi n f e n g 1 ． K e y L a b o r a t o r y o f C i v i l E n g i n e e r i n g S a f e t y a n d D u r a b i l i t y o f C h i n a E d u c a t i o n M i n i s t r y ， D e p a r t m e n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， T s i n g h u a U n i v e r s i t y ， B e i j i n g 1 0 0 0 8 4 ， C h i n a ； 2 ． H e b e i I n s t i t u t e o f A r c h i t e c t u r e a n d C i v i l E n g i n e e r i n g ， Z h a n g j i a k o u 0 7 5 0 2 4 ， C h i n a A b s t r a c t I n t h i s p a p e r ， t h e F i n i t e E l e m e n t Me t h o d F E Mi s t a k e n t o a n a l y z e t h e f a i l u r e m o d e a n d c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e c o m b i n e d c o n ne c t i o n wi t h bo l t s a n d we l d s ． Th e FEA r e s u l t s a r e c o mp a r e d wi t h t h o s e c o me f r o m e x pe r i me n t a l i nv e s t i g a t i o n ．F ur t h e r a n a l y s i s ba s e d o n FEM i s pe r f o r me d t o r e s e a r c h t h e f a i l u r e mo d e a n d b ea r i n g pe rfo r ma n c e o f t h e c o mb i n e d c o n n e c t i o n a n d t h e c o n t r i b ut i o n o f b o l t s a nd we l d s ． I t i s s h o wn t ha t whe n t h e s t r e ng t h o f o n e o f b o l t o r we l d i s mu c h h i g he r t h a n t h e o t h e r ， t h e c o nn e c t i o n wi t h l o we r s t r e n g t h f a i l s fir s t ， wh o s e c a r r y i n g c a pa c i t y c a n be f u l l y us e d， wh i l e t h e c a r r y i n g c a p a c i t y o f t h e c o nn e c t i o n wi t h h i g he r s t r e n g t h c a nn o t ． Th e s t r e n g t h r a t i o b e t we e n b o l t a n d we l d a f f e c t s t h e c a r r y i n g c a p a c i t y ． W he n de s i g n i n g t he c o mb i n e d c o n n e c t i o n s， t he i n f l u e n c e o f t h e s t r e ng t h r a t i o o f b o l t a n d w e l d s h o u l d b e c o n s i d e r e d ． T h e c o mb i n e d c o n n e c t i o n w i t h w e l d s a n d b o l t s ， w h i c h h a s a d v a n t a g e s o f b o t h w e l d a n d b o l t c o n n e c t i o n s ， c a n b e w i d e l y u s e d i n r e i n f o r c i n g t h e j o i n t i n s t e e l s t r u c t u r e ． Ke y wo r d s c o mb i n e d c o n n e c t i o n； b e a r i n g b e h a v i o r ； fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s ； b o l t ； we l d U 刖 吾 我国 J G J 8 2 --2 0 1 1 钢结构 高强度 螺栓 连接技 术规程 栓焊并用 的连接 中指 出 栓焊并用连接 是指在一个连接结点 中， 摩擦型高强度螺栓连接和 贴角焊缝并用连接 ， 且承受同一剪切荷载作用。栓 焊并用连接节点兼具高强度螺栓连接和焊接连接的 优点 ， 在钢结构节点加固改造工程中有很大的应用 收稿 日期 2 0 1 2 -0 4 1 6 作者简介 石永久 1 9 6 2一 ， 男 ， 教授 ， 博 士研究生导师 ， 主要从 事钢 结 构连接 和节点抗震设计 、 高性能钢结构体系设计 、 大跨度钢结构抗 风与抗震性能研究等工作 。 基金项 目 国家 自然科 学基金项 目 5 0 7 7 8 1 0 2 ； 河北省科学技 术研 究与发展计 划项 目 1 0 2 1 5 6 2 1 D E ma i l w a n g l e i2 0 0 6 0 1 0 1 6 3． c o n 空间。但 由于螺栓连接和焊接连接两种连接方式在 刚度 、 延性等方面的差异 ， 栓焊并用连接节点的受力 性能比较复杂。对于栓焊并用连接 的受力性能 ， 有 关学者进行了一些试验研究 和有限元 分析 ， 且笔者已进行了相关试验研究 ， 但仍然需要进一 步的深入分析 。本文 中对栓焊并用 连接节点 的 受力性能进行有限元模拟， 分析栓焊并用连接的承 载性能 ， 为节点设计提供参考依据。 1 有限元建模计算 1 ． 1 模型选取 栓焊并用连接节点采取双盖板拼接形式 ， 由于 对称性 ， 只建立节点一半的模型。模型尺寸选取参 照试验 ， 芯板长 1 9 5 l lq m， 宽 1 6 0 1T I I T I ， 厚度 1 8 ra m； 2 0 1 3 N o ． 2 石永久， 等 加固用钢结构栓焊并用连接承载性能有限元分析 1 0 3 未同时达到承载极限状态。板件问首先达到发生滑 移 ， 此时摩擦型螺栓连接 已经失效 ， 摩擦型螺栓连接 发生滑移失效后 ， 摩擦系数降低。在实际工程 中， 出 于安全起见 ， 不应考虑板件发生滑移后的承载 ， 而在 刚发生滑移时即认 为失效 。因此 ， 将此 时的承载力 作为并用连接试件 的承载力 ， 而将此状态之后可能 发生的承载力提高作为安全储备。 6 0O O0 4 0 O 蚕 糕 柱3 0 0 2O O l OO O ．厂～ 总荷载 一螺栓分担荷载 ， 一一 、 ⋯⋯一 焊缝分担荷载 图 8 B 2 M2 0 --L W6 - 6 0 5 失效时螺栓和焊缝 发挥承载效率 F i g ． 8 B e a r i n g e ffic i e n c y o f B 2 M2 0 --L W6 - 6 0 5 考虑栓焊并用试件的并用效率。对于 5 而言 ， 在发生滑移时各部分 分担的荷 载和总荷载见表 2 ， 将并用连接中螺栓或焊缝分担的荷载与单独的螺栓 或焊缝连接承载力 的比值称为并用效率 ， 以表征螺 栓或焊缝对并用连接承载力的贡献程度。 表 2 B 2 M 2 0 --L W6 6 0失效 时螺栓 和焊 缝发挥承载效率 Ta bl e 2 Be a r i ng e ffi c i en c y o f B2 M 2 0-- LW 6- 6 0 B 2 M 2 0 --L W6 - 6 0中所对应 的螺栓与 焊缝基本 试件的有限元计 算承 载力之 比为螺栓 焊缝 1 1 ． 7 7， 此 时螺 栓 强 度发 挥 9 9 ％ ， 焊缝 强 度 发挥 了 7 6 ％ ， 螺栓与焊缝 的极限承载力之和为 4 6 5 k N。 2 ． 2焊缝断裂破坏 选用算例为 4条 4 rain4 0 m m侧焊缝 与两颗 1 0 ． 9级 M 2 7高强 度 螺 栓 的并 用 连 接 试件 ， 记 作 L W4 - 4 0 --B 2 M 2 7 1 0 ． 9 。螺栓的本构关系参照 G B T 1 2 3 1 _2 0 0 6 钢结构用 高强度 大六角头螺栓 、 大 六角螺母、 垫圈技术条件中的数据， 预紧力 2 9 0 k N， 摩擦系数 0 ． 5 ； 4条侧焊缝 ， 焊脚高度 4 ram， 焊缝 长度 4 0 mm； 其他材料属性与之前的算例相 同。计 算得到该算例 的荷载一 位移曲线如 图9所示 。 由图 9可以看到 ， 此时焊缝首先达到承载力极 8 00 6 。 。 熏 。。 柱 2 。。 0 一 厂 ， ，， 一 一一一一 ／ 总荷 载 ⋯_- 螺栓分担荷载 ， 卜 _ _焊缝分担荷载 ‘ - 图 9 L W4 - 4 0 一B 2 M2 7 1 0 ． 9螺栓 和焊 缝发挥承载效 率 Fi g ． 9 Be a r i n g e ffi c i e n c y o f LW 4 - 4 0 -- B2 M 2 7 - 1 0 ． 9 限状态 ， 认为焊缝在此 时破坏 ， 而螺栓 仍未发生滑 移。实际上 ， 在焊缝破坏时， 荷载全部转移到由板件 问摩擦力承担 ， 可能立刻导致摩擦型连接的破坏 ， 发 生滑移 ， 整个节点失效。因此当焊缝破坏时即可认 为整个节点失效 ， 达到最大承载力。有限元分别计 算纯焊缝连接 L W4 - 4 0 和纯栓连接 B 2 M 2 7 1 0 ． 9 的承载力 ， 与并用试件 L w4 40 一B 2 M2 7 1 0 ． 9进行 比较 表 3 。 表 3 L W4 - 4 0 一B 2 M 2 7 1 0 ． 9失效 时螺栓和焊缝发挥承载效率 Tab l e 3 Be ar i ng e ffi c i e nc y o f LW 4- 4 0-- B2 M 27- 1 0 ． 9 本例中螺栓强度与焊缝强度之 比为 1 0 ． 3 0 ， 焊 缝强度发挥 9 9 ％ ， 螺栓强度发挥 8 3 ％ ， 螺栓与焊缝 的极限承载力之和为 6 4 6 k N。 2 ． 3 栓焊强度比的影响 当栓焊并用节点中螺栓或焊缝其 中一种连接形 式 的承载力明显高于另一种时 ， 强度较低 的连接形 式首先发生破坏， 承载能力基本充分发挥； 强度较高 的连接形式的承载能力不能得到充分的发挥 。 栓焊强度比影响栓焊并用连接节点承载性能。 当栓焊强度 比大时 ， 并用连接达到承载力极 限状态 的标志为焊缝发生破坏， 焊缝承载力可以完全发挥 ， 螺栓连接承载力则不能完全发挥 。当栓焊强度 比小 时， 并用连接达到承载力极 限状态的标 志为螺栓连 接滑移破坏 ， 螺栓抗滑移承载力可以完全发挥 ， 焊缝 承载力则不能完全发挥。 以上有限元分析结果与王佼姣 有限元分析 结果基本一致 ， 王佼 姣 还指 出， 当螺栓承载力较 高时， 随着栓焊强度比增大， 螺栓的并用效率降低； 当栓焊强度比较低时 ， 随着焊缝强度的增大， 焊缝的 l 0 4 四川建筑科学研究 第 3 9卷 并用效率降低 。 在不同的栓焊强度 比范围内， 螺栓和焊缝各 自 的承载力发挥效果不同。因此在进行并用连接节点 设计 时， 应考虑栓焊强度 比对螺栓 和焊缝各 自成立 能力的发挥程度的影响 。 3有 限元与试 验对 比 3 ． 1 试验简介 将并用试件在 1 0 0 0 k N液压拉压试验机下进行 轴心拉伸加载。采用 Y H D 一 2 0导杆式引伸计测量试 验端在加载过程中的位移。加载装置如图 1 0所示。 图 1 0试验加 载装置 Fi g．1 0 Lo a di ng e qu i pme nt 3 ． 2结果对 比分析 栓焊并用连接节点破坏荷载的有限元分析和试 验结果 比较列于表 4中， 为便于 比较栓焊并用连接 承载性能 ， 螺栓连接取滑移承载力作 为此处的极 限 承载力 。5 算例试验与有限元荷载一 位移曲线对 比 见图 1 1 。 表 4 试件试验与有 限元模拟极限承载力对 比 Ta bl e 4 Th e c ompa r a t i ve r e s ul t s b e t we e n t he FEA and t he e xp e r i m e nt 由有 限元与试验结果对 比可知 ， 有 限元分析结 果与试验结果基本相符 ， 最大误差 6 ． 8 ％。结果 误 差在可以接受的范 围内， 从而验证 了有限元模型的 准确性 ， 为利用此有 限元模型进行分析的可靠性提 供了依据。 4 结论 1 借助 A N S Y S有限元分析软件 ， 建立有限元模 型对并用连接节点承载试验进行数值模拟 。有限元 6 O 0 5 0 0 40 0 重 辑3 0 0 柱 2 0 O 1 0 0 0 0 0 2 0 4 0 6 位移／ ram 图 1 1 5 试验与有 限元对 比 Fi g． 1 1 Co mpar i s o n o f e x pe r i me nt a nd FEM of 5 分析结果与试验结果基本相符 ， 验证 了有限元模型 的可靠性。 2 当栓焊并用节点 中螺栓或焊缝其 中一种 连 接形式的承载力明显高于另一种时 ， 强度较低的连 接形式首先发生破坏 ， 承载能力基本充分发挥 ； 强度 较高的连接形式的承载能力不能得到充分的发挥。 3 在不同的栓焊强度 比范 围内， 螺栓和焊缝各 自的承载力发挥效果不同。进行并用连接节点设计 时 ， 应考虑栓焊强度 比的影响。 参 考 文 献 [ 1 ] J G J 8 2 --2 0 1 1钢结构高强度螺栓 连接技术规程[ s ] ． [ 2] 日本钢构造 会 接合小 委员 会．高 强度螺栓结 合 [ M] ． 王 春， 陈鸿德 ， 史永吉 ， 等译． 北京 中国铁道f H版社 ， 1 9 8 4 ． [ 3 ] H o l t z N M， K u l a k G L ． H i g h s t r e n g t h b o l t s a n d w e l d s in l o a d s h a r i n g s y s t e m s [ s ] ．S t r u c t ．E n g r g ．R e p N o ．8 ， D e p t ．o f C i v ． E n g r g ．， No v a S c o t i a Te c h n i c a l Co l l e g e， Ha l i f a x， N． S ， Ca n a d a， 】 9 7 0 [ 4] J a r o s c h K H， B o w m a n M D． B e h a v i o r o f t e n s i o n b u t t j o i n t s u s i n g b o l t s a n d w e l d s i n c o m b i n a t i o n [ s ] ．S t r u c t ．E n g r g ．R e p ．C E S T R 一 8 52 0， P u r du e Un i v e r s i t y， L a f a y e t t e， I n d， 1 9 8 5． [ 5 ] 郭寓岷 ， 贺贤娟 ， 刘广立． 焊接一 高强螺栓 混合连接 性能与 工 艺研究 [ J ]钢结构 ， 1 9 9 6 ， 1 l 3 5 0 - 5 5 ． [ 6 ] Ma n u e l T J ， K u l a k G L ． S t r e n gth o f J o i n t s t h a t C o m b i n e B o l t s a n d We l d s[ S ] ． J o u r n a l o f S t r u c t u r e E n g i n e e r i n g ， A S C E， Vo 1 ． 1 2 6， N o ． 3， Ma r c h， 2 0 0 0． [ 7 ] 孙磊． 栓焊并 用连接 节点试验及 有 限元 分析研 究 [ D] ．北 京 中冶集 团建筑研究总院 ， 2 0 0 7 ． [ 8 ] 王元清 ， 杨文， 石永久． 加 固用 栓焊并 用连接受 力性能有 限 元分析 [ J ] ． 钢结构 ， 2 0 0 6， 2 1 4 2 3 - 2 7 ． [ 9 ] 王佼姣．厂房 吊车梁和嗣护结构设计 与栓 焊片用连接受 力性 能研究 [ D] ． 北京 清华大学 ， 2 0 0 9 ． 『 l O ]王磊 ． 加 固用钢 结构栓 焊并 用连 接性 能与 设计 方法研 究 [ D] ． 北京 清华大学 ， 2 0 1 0 ． [ 1 1 ]石永久 ， 王磊 ， 王元清 ， 等 ． 加 固用钢 结构 栓焊并用连接 的研 究进展 [ C ] ／ ／ 天津 第十一届全 国现代 结构工程 学术研讨会 ， 2 01 1 ． 『 1 2 1 G BT 1 2 3 1 _2 0 0 6钢结构用高强度 大六角头螺 栓 、 大六角螺 母 、 垫圈技术条件 [ s ] ．